《石灰产业大讲堂》006期|粉体燃料煅烧石灰的关键技术
一、概 述
随着石灰生产工艺节能化、环保化的发展，石灰窑喷吹粉体燃料技术成为当今石灰生产技术的重要发展方向已成为共识。喷吹原料易得、经济适用的粉体燃料煤替代优质高价的块状无烟煤和焦炭，是现代石灰生产实现节能降耗、提高石灰品质和减轻环境污染的重要措施，已经成为当前石灰生产企业节能减排、降低成本的有效手段之一。
粉体燃料煅烧石灰主要采取炉内喷吹的方式，粉体燃料的原料来源主要有煤炭、焦炭、焦丁、兰炭、生物质碳化粉等化石燃料品种，还有其他如石油焦、废旧橡胶粉等燃料来源，都是适宜进行粉体喷吹的燃料来源。
我国由于资源条件和能源政策的限制，以及考虑生产成本问题，目前石灰行业大部分都以喷吹煤粉为主。喷煤粉技术能够充分利用煤炭资源，提高能源利用率，同时减少了煤的排放和污染。适合粉体喷吹的石灰窑主要窑型为双膛石灰窑、梁式窑、回转窑等主要窑型。由于回转窑能耗太高以及梁式窑的工艺缺陷等原因，目前喷吹粉体燃料的石灰窑主流窑型为双膛窑生产工艺。
双膛石灰窑工艺技术具有高效、节能和环保等优点，而且双膛石灰窑的结构相对简单，易于建造和维护，在石灰石烧制的过程中，煤粉的燃烧产生的热量可以提供石灰石热分解所需的能量，从而实现高效烧制。因此被应用于各个行业，尤其是在建筑、冶金、化工、环保等领域都有广泛的应用。
本节课程将详细介绍适宜石灰生产的粉体燃料的使用及控制技术要点，同时，还重点介绍了目前行业*新的粉体喷吹燃烧技术。
二、 适用石灰窑使用的粉体燃料控制要点
1、粉体燃料的指标控制关键点：
目前，国内较多石灰生产企业采用原煤作为燃料锻烧石灰石。
由于粒煤燃烧存在燃烧效率低、污染大等不足，所以一般将粒煤制备成煤粉后入窑燃烧，制备煤粉的燃料原煤的选择与管控也就成为石灰生产中的关键环节。
煤 粉 煤粉制粉流程图SiO
2、Al
2O
3、CaO、MgO、Fe
2O
3 等组成。燃粉灰分在高温形式下形成的低熔点化合物是导致粘窑和结圈的重要原因，低熔点化合物对窑衬有腐蚀作用， 能造成窑衬损坏， 煤粉附着在产品上， 使产品质量降低， 因此采用低灰分燃料十分重要，灰分的熔点大于 1250℃
②挥发份控制
挥发份高有利于煤粉点火和稳定燃烧，但挥发份高不利于煤粉系统安全生产，因此，石灰窑喷吹所用的粉体燃料的挥发份含量宜适中，挥发份和固定碳的含量与碳化有关，碳化程度越高，挥发份越少。
③水分控制
结晶水要在 200℃以上才能从煤中分解出来，燃料中的水分对于煤粉制备系统加料不畅，影响其正常工作，另外煤粉中水分过高， 降低燃料的可燃度，影响燃料的消耗。
2、 煤粉的爆炸性控制关键点
煤粉和空气混合物在一定的条件下会产生爆炸，生产实践和试验研究证明，影响煤粉爆炸的主要因素有：
①挥发份，挥发份越高越容易爆炸；
②细度，煤粉越细，与空气的接触面越大，爆炸性也越大；
③浓度，煤粉的爆炸性随着它在空气中的浓度增大而变大， 但浓度增加到一定限度后，爆炸性又开始减小，煤粉浓度的爆炸范围为0.3-0.6kg/m³；
④介质含氧量：
悬浮在含氧量大的气体介质中的煤粉，可爆炸性大并且爆炸力强，实践证明在含氧量小于 16％的气体中，煤粉不会爆炸；
⑤混合物温度：
煤粉空气混合物的温度越高，爆炸的可能性越大，一般不超过下列温度：
原煤水分＜25％， 烟煤≤70° ；
原煤水分＞25％， 烟煤≤80° 。
三、煤粉燃烧特性的判别方法
1、挥发分与煤的可燃性
目前仍沿用以工业分析得出的可燃基挥发分判断煤的燃烧性能将其作为炉膛设计和燃烧器型式选取的依据，用其确定热风邂度，一、二次风的比率以及煤粉经济细度等的重要运行参数众所周知，热解反应析出的挥发分是煤中不稳定的物质，从褐煤到无烟媒随着地质年代的增长，其含量逐渐减少，它是煤的活性的一种表现。因此，用挥发分的数量判别煤的可燃性，在煤的大类别(无烟煤、烟煤褐煤)之间，或同类煤中挥发分数值相差较大的煤种之间是正确的。然而，用于比较挥发分含量低的无烟媒、贫煤之间以及高挥发物的揭媒页岩之间的可燃性确有较大的偏差。
挥发分只是在数量上表达了煤的热解性能，它没有涉及挥发物质的组成，例如不同揭煤中的有机物质的化学性质差异就很大。对于挥发分相同的煤种，因其组分不同析出过程不同在燃烧过程中起的作用就不同。
另外，在测定过程中所测挥发分结果的真实性不同。高挥发分媒在测定过程中，因挥发物析出快、量多，能够避免氧对焦炭氧化造成的误差。而低挥发分的无烟煤，在测定过程中部分焦炭已被氧化，造成测定结果的误差曾用纯炭粉按常规挥发分测定方法进行试验，结果有19%的质量损失。这说明对于挥发分特别低的煤种，因焦炭氧化对挥发分测定结果会有很大影响。再者，在测定过程中有些煤种中无机物的分解也会给测定结果带来影响。例如，碳酸盐的部分分解，部分无机硫的挥发以及矿物质中结晶水在较高温度区域的分解。
综上所述，挥发分仅代表煤粉在一定试验条件下有机物热解的数量，反映了一些煤种的可燃性。用它来判别各种煤种的可燃性，则不够确切，甚至出现偏差因此需要寻求更能反映煤热解性能的指标，以弥补挥发分指标的不足。
2、煤的着火稳燃特性判别指标
中国*早的煤分类指标，称为加水燃率(FC)/(V+M以该指标将煤分为褐煤(<09)，褐性烟煤(0.9~1.3)，低碳烟煤(1.3~1.7)，中碳烟煤(1.7~3)，高碳烟煤(3~4)，无烟性烟煤(4~6)，低碳无烟煤(6~8)，中碳无煤(8~10)，高碳无烟煤(10~12)，它是用固定碳分析基水分及挥发分表示煤的变质程度
四、新一代粉体燃料燃烧技术
近年来，被喻为绿色煤炭的可再生能源生物质的研究，已经引起国内外学者的广泛关注，生物质混煤燃烧也已成为生物质能利用的一种重要方式。
1、煤粉与生物质混燃技术应用
单独喷吹燃烧煤粉，虽然目前为止在石灰窑上的应用非常广泛，技术也相对稳定，但是由于化石燃料的不可再生性及其燃烧产物对环境的污染，需要对其进一步研究改进。而生物质能源恰好补充了化石燃料的缺陷，其为清洁的可再生能源，并且燃烧产物中污染物排放量小， 甚至能够实现二氧化碳的零排放，其各项综合指标使得生物质作为一种新的可再生能源受到关注。
但是生物质能源也有其自身的缺点，如发热密度小，燃烧效率低，并且直接燃烧生物质由于其热值低很难达到煅烧石灰的热工要求。因此将两者混合喷吹燃烧，即能够减少污染物的排放，也能够达到环保指标，不但缓解了碳排放压力，而且也有效的降低了燃料成本，增加了经济效益。
由“唐山金泉冶化科技产业集团”旗下“唐山金泉冶化科技产业有限公司”及“唐山金泉成套设备有限公司”研究开发的“煤粉与生物质混燃煅烧石灰成套装置”等系列技术，成功的解决了在生物质利用技术中，纯生物质直燃技术存在效率低、燃尽时间短等关键性问题。利用现有石灰窑的煤粉喷吹技术进一步改进提升，对生物质和煤粉进行混燃，相对于燃烧纯煤粉和纯生物质燃烧技术，不仅提高了生物质利用率，而且能够实现不易燃煤种达到着火更容易，燃尽程度提高或燃尽时间缩短的目的，尤其是掺混生物质对难燃煤种着火特性的影响比对易燃煤种更加明显，使石灰生产中对喷吹的煤炭种类选择更加广泛。
从唐山金泉公司已经公开的部分技术信息显示：
生物质与煤粉混合燃烧，主要有以下两种方法：
（1）将生物质直接与煤混合后磨制成的混合粉末直接喷入炉膛进行燃烧煅烧石灰。
（2）将生物质提前单独制成粉末，在燃烧器风口与煤粉气流混合， 一同吹入炉膛进行燃烧煅烧石灰。
第１种方式直接混合制粉，步骤简单，现有的石灰窑磨粉设备以及系统就可以对其进行加工制造，但是由于生物质难以粉碎且能量密度低，对磨煤机的容量要求很高，并且掺烧的生物质比例在很大程度上会影响到系统的安全运行，以致混燃中掺烧生物质的含量大大受限。
第2种方式由于生物质成分不同，磨成粉末不能直接用磨煤机， 需要对其进行改装或加入专门的系统， 虽然提高了设备投资的费用， 但是，值得一提的是，由于提高了生物质掺烧比例，可以提高燃烧的经济性。
炉内煤粉与生物质混合燃烧的特性如下：
（1）由于生物质自身的物理性质，导致其挥发分的含量较煤粉高， 着火点也低于煤粉，因此当其与煤粉混合点燃时，相对于煤粉单独燃烧而言，较低温的环境就能使混合燃料着火而点燃。所以一般情况下， 炉膛的温度会低于煤粉单独燃烧时的温度，约1000℃范围左右，这样也避免了高温时炉膛内部的石灰结瘤、结焦、结渣及高温型氮氧化物的生成。
（2）生物质的种类丰富，掺烧比例也并不固定，但是这些因素仅会影响到其在与煤粉混合燃烧时的燃尽程度，并不影响燃烧温度及火焰稳定性，对煅烧石灰工况来讲，影响不大。
（3）生物质的颗粒过大时，对燃烧过程的燃尽效率影响也并不大。此外，生物质的一些其他物理特性及燃烧特性都能改变化学反应的过程，如较高的反应活性、挥发分等均可以改善煤粉的燃烧特性。
（4）燃料从燃烧器喷入炉膛可以有多种方式，密切影响到燃烧产物中污染物如NOX的形成及排放。相对于单一的煤粉燃烧而言，生物质与煤粉的混合燃烧较为复杂，保证总体的富氧环境，应采用空气的分级燃烧。此外，由于生物质自身的物理特性，其固硫能力强，自身含硫低，同时减少了SO2的排放。
（5）生物质粉体中含有较高比例的碳，含氮较少，几乎不含硫，燃烧后对环境危害大大降低。
（6）和煤相比，生物质粉体中含水分较少，含挥发分较多，含灰分较低，易于着火，且在燃烧初期粉体经过热分解析出的挥发分首先参与燃烧。粉体在燃烧过程中，主要以悬浮燃烧的方式在炉膛中形成体积燃烧，有利于在煅烧石灰时火焰在石料缝隙中的分布和流动，使石灰窑窑内还原气氛更加合理，石灰活性度可以进一步提高，石灰生过烧率呈下降趋势。
2、生物质焦与煤混合燃烧技术
目前，国内对生物质与煤的共燃烧研究主要集中在生物质原材料直接与煤的混合燃烧，而对生物质的热解产物——生物质焦与煤的共燃烧过程中对煤粉催化作用的研究，则较少报道。
生物质焦是生物质原料在缺氧环境下通过热化学转化得到的一种固体材料。是生物质在气化、裂解过程中的副产品。生物质在热化学反应过程中，增加了燃料的能量密度，更适合在现有燃煤工业炉进行燃烧。因此生物质焦和煤混合燃烧也受到国内外学者的广泛研究。
生物质焦的特性受诸多因素的影响，如热解温度、热解氛围和热解速率等。研究不同热解条件对生物质焦特性的影响是生物质焦利用技术应用的关键。
中国石灰产业学会与唐山金泉冶化科技产业集团联合研发中心重点研发的“生物质焦与煤炭混合喷吹生产石灰技术”，研究实验了不同配比条件下生物质焦对喷吹煤粉助燃的特点，将木质生物质焦分别与不同煤种按照不同比例进行了热重实验和燃烧实验。对其混合燃烧特性进行了充分的分析研究，并根据生物质焦的微观结构对其在石灰窑内催化煤粉燃烧的机理进行了深度研究。
唐山金泉冶化科技产业有限公司技术中心理化试验室提供的部分实验报告数据显示：
①随着生物质焦掺混比例逐步增大，燃烧过程中生物质焦对煤粉有助燃效果。
②生物质焦的掺入可以改善煤的挥发分析出特性。
③由于生物质焦的挥发分在较低温度下即可析出，生物质焦对煤有催化助燃的作用，从而改善了煤的着火性能。
④在煤中掺入生物质焦后，*大燃烧速率有所提前。
⑤生物质焦具有气孔发达、孔隙率高和比表面积大等物理特性。这种特性使其作为氧气的通道，吸附氧气能力强，促进了氧气的扩散速率，相当于增大了氧气浓度，从而提高了燃烧速率。
⑥尤其是在双膛窑并流煅烧过程中，生物质焦加速了氧在气相和碳之间的传递过程。因此，氧气浓度较大时，加快了生物质焦传递氧的速率和氧气扩散速率，从而提高了煤粉的燃烧速率。
⑦生物质焦能够通过催化作用来改变碳氧化反应过程，降低反应活化能，进而提高反应速率，从而表现出催化煤粉燃烧的助燃效果。可明显改善煤粉燃烧的动力学条件，对煤粉有助燃作用。
⑧相比煤而言，生物质焦的灰分含量极低，活化能较低；挥发分含量高与烟煤相近，易着火，燃烧性能明显优于无烟煤，适合石灰窑喷吹。
⑨生物质焦对不同煤种煤粉燃烧特性的影响趋势基本一致，随着添加量的增加，对煤粉的助燃效果越好，但助燃效果与煤种本身性质有关。
五、进一步研究展望
近年来，我国在生物质燃烧方面有很大的进步，无论是单独的生物质燃烧技术，还是生物质气化和液化燃烧技术，还是本课程所述的生物质与煤粉直接混燃的技术，都掌握了很大的信息量，获得了很大的进步。随着国际能源同渐短缺及环境日渐遭受破坏，生物质燃烧技术作为洁净的能源技术已经成为任何一个国家中不可或缺的一部分。我国在某些技术上正在向发达国家学习，尽管目前离发达国家还有一定的距离，但是已经日渐趋近。
生物质资源是一种清洁、无污染能源且储量十分丰富， 因此发展生物质资源的利用对于我国节能减排具有重要意义。特别是生物质焦克服了生物质本身易磨性差、储存运输不方便、热值低等缺点，是一种能够在现有石灰窑采用燃煤生产中应用的燃料。而且生物质焦比生物质原料具有更高的热值和固定碳含量，与煤炭和生物质焦一煤炭混合燃料相比，生物质焦燃烧时产生的N0x气体更少。
所以，唐山金泉公司通过对新型生物质燃料与传统化石燃料组合燃烧技术的研究与开发，以及生物质焦和煤共燃的研究，为生物质及生物质焦在石灰生产中的工程应用中取得了可靠的理论支撑和实践应用，特别是对唐山金泉公司推出的“生物质+全系列燃料生产石灰技术”中生物质气化后的“生物质焦”副产品找到了一个很好的用武之地，不但解决了副产品的销售、处理问题，也节省了石灰煅烧的燃料能耗，提高了石灰生产的经济效益。对生物质燃料在石灰生产中得到良好科学的应用，具有重大的意义。
据悉，该项系列技术中的一项新的石灰生产技术成果（ZGS外支撑式混喷双燃双膛竖窑），在7月18日，由中国石灰产业学会组织的“2023年中国石灰产业新技术（新装备）科技成果鉴定会（第二季）”中，获得科技鉴定证书和“石灰行业新技术（装备）应用推广证书（编号：ZSCX-2023XJS-59798）”。同时，该项技术还被中国石灰产业学会命名为“新时代低碳环保型石灰生产十.大旗舰技术”首个重点推广项目，目前已经在国内及国外多地开始规划建设示范性项目。
从该项技术的鉴定资料中获知：该项技术成果在实现传统的混料式竖窑生产工艺与双膛窑喷吹功能的完美组合的基础上，创新实现了双膛窑体的“喷吹煤粉+气体燃料+喷吹生物质焦+电辅悬浮燃烧”的全系列燃料的复合应用。该项技术淘汰了传统双膛竖窑炉内牛腿式支撑及悬挂缸吊挂结构，采用炉外通道式支撑结构实现两个炉体余热烟气循环，达到蓄热和余热高效利用的功能。尤其是其采用的炉外烟气循环通道气力清灰和气力输送粉尘技术与余热悬浮燃烧小颗粒石料的组合，是典型的创新的技术，不但实现了“全粒径石灰石资源高值化综合利用”，而且还实现了“全系列燃料复合应用”的目的。
由上述可见，在“碳达峰、碳中和”的双碳目标下，唐山金泉公司大力推动新能源在石灰行业的发展应用和石灰生产领域流程的再造，对石灰石全粒径资源整体高值利用和燃料多元化应用生产，提高产品竞争力，实现了节能、减排、降耗、增值，有利于生态环境的保护，助力双碳目标，即符合新形势下低碳经济和可持续发展的要求，也将是石灰产业新的发展趋势。
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